《互斥與同步》課件

互斥與同步操作系統(tǒng)中的關(guān)鍵概念之一。主要用于解決多個(gè)進(jìn)程或線程訪問(wèn)共享資源的沖突問(wèn)題。課程介紹本課程介紹同步與互斥是操作系統(tǒng)中的重要概念，在本課程中，我們將深入探討其原理、應(yīng)用場(chǎng)景以及實(shí)現(xiàn)機(jī)制。學(xué)習(xí)目標(biāo)通過(guò)本課程，您將掌握同步與互斥的原理，并能夠運(yùn)用相關(guān)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題，提升您的編程能力。課程內(nèi)容課程涵蓋了同步與互斥的核心概念，包括臨界區(qū)、信號(hào)量、管程、死鎖等，并通過(guò)案例分析來(lái)加深理解。什么是互斥共享資源多個(gè)進(jìn)程或線程可能需要訪問(wèn)相同的資源。沖突訪問(wèn)多個(gè)進(jìn)程或線程同時(shí)訪問(wèn)共享資源會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)不一致或錯(cuò)誤。互斥訪問(wèn)互斥是指在任何時(shí)刻，只有一個(gè)進(jìn)程或線程可以訪問(wèn)共享資源，以確保數(shù)據(jù)的完整性?；コ獾膽?yīng)用場(chǎng)景互斥機(jī)制在計(jì)算機(jī)科學(xué)中至關(guān)重要，它確保多個(gè)線程或進(jìn)程在訪問(wèn)共享資源時(shí)不會(huì)相互干擾。在現(xiàn)實(shí)世界中，互斥的應(yīng)用場(chǎng)景廣泛，例如銀行賬戶的存取、共享打印機(jī)、多用戶編輯文檔等。例如，在銀行系統(tǒng)中，多個(gè)用戶可能同時(shí)嘗試訪問(wèn)同一個(gè)賬戶。如果沒(méi)有互斥機(jī)制，多個(gè)用戶可能會(huì)同時(shí)進(jìn)行存款或取款操作，導(dǎo)致賬戶余額出現(xiàn)錯(cuò)誤?；コ鈾C(jī)制可以確保每次只有一個(gè)用戶可以訪問(wèn)該賬戶，從而保證數(shù)據(jù)的正確性和一致性。臨界區(qū)與資源共享臨界區(qū)多線程程序中，訪問(wèn)共享資源的代碼段被稱為臨界區(qū)。資源共享多個(gè)線程需要訪問(wèn)相同的資源，例如全局變量，文件等?；コ庠L問(wèn)確保在同一時(shí)間只有一個(gè)線程可以訪問(wèn)臨界區(qū)，防止數(shù)據(jù)沖突。進(jìn)程與線程進(jìn)程進(jìn)程是程序的一次執(zhí)行過(guò)程，擁有獨(dú)立的內(nèi)存空間。進(jìn)程是資源分配的最小單位。線程線程是進(jìn)程的子任務(wù)，共享進(jìn)程的內(nèi)存空間。線程是CPU調(diào)度的最小單位，可以更細(xì)粒度地分配資源。臨界區(qū)的訪問(wèn)1訪問(wèn)臨界區(qū)進(jìn)程請(qǐng)求進(jìn)入臨界區(qū)2測(cè)試檢查臨界區(qū)是否被占用3進(jìn)入進(jìn)入臨界區(qū)，執(zhí)行任務(wù)4離開(kāi)完成任務(wù)，離開(kāi)臨界區(qū)競(jìng)爭(zhēng)狀態(tài)與臨界區(qū)1競(jìng)爭(zhēng)狀態(tài)多個(gè)進(jìn)程或線程同時(shí)訪問(wèn)共享資源，會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)不一致或錯(cuò)誤結(jié)果。2臨界區(qū)共享資源的代碼段，需要確保一次只有一個(gè)進(jìn)程或線程進(jìn)入該代碼段執(zhí)行。3臨界區(qū)訪問(wèn)必須采用互斥機(jī)制來(lái)控制對(duì)臨界區(qū)的訪問(wèn)，以保證數(shù)據(jù)的一致性。4關(guān)鍵區(qū)域臨界區(qū)是保護(hù)共享資源的機(jī)制，它是一種重要的同步機(jī)制，用于解決競(jìng)爭(zhēng)狀態(tài)問(wèn)題。同步機(jī)制概述協(xié)調(diào)進(jìn)程同步機(jī)制是一種重要的工具，它可以確保多個(gè)進(jìn)程或線程之間進(jìn)行協(xié)同工作。共享資源同步機(jī)制允許進(jìn)程或線程安全地訪問(wèn)共享資源，防止數(shù)據(jù)不一致或沖突。常見(jiàn)機(jī)制常用的同步機(jī)制包括信號(hào)量、管程、自旋鎖、睡眠鎖等，它們提供了不同的同步策略。信號(hào)量機(jī)制信號(hào)量概念信號(hào)量是一種用于同步進(jìn)程的機(jī)制。它是一個(gè)整數(shù)變量，用于控制對(duì)共享資源的訪問(wèn)。信號(hào)量操作信號(hào)量提供兩種操作：等待（P）和信號(hào)（V），用于控制進(jìn)程之間的同步關(guān)系。信號(hào)量應(yīng)用信號(hào)量廣泛應(yīng)用于各種同步問(wèn)題，如生產(chǎn)者-消費(fèi)者問(wèn)題、讀者-寫(xiě)者問(wèn)題等。信號(hào)量的操作信號(hào)量初始化信號(hào)量需要初始化，為其分配一個(gè)初始值，并設(shè)置等待隊(duì)列。信號(hào)量等待如果信號(hào)量值大于零，則減一，否則阻塞等待，直到信號(hào)量值大于零。信號(hào)量發(fā)出如果信號(hào)量值小于或等于零，則喚醒一個(gè)等待線程，否則將信號(hào)量值加一。生產(chǎn)者-消費(fèi)者問(wèn)題1生產(chǎn)者生產(chǎn)者負(fù)責(zé)創(chuàng)建數(shù)據(jù)，并將其放入緩沖區(qū)中。2緩沖區(qū)緩沖區(qū)用于存儲(chǔ)生產(chǎn)者創(chuàng)建的數(shù)據(jù)，消費(fèi)者可以從中讀取數(shù)據(jù)。3消費(fèi)者消費(fèi)者從緩沖區(qū)中獲取數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理。管程機(jī)制數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包含共享數(shù)據(jù)和操作共享數(shù)據(jù)的過(guò)程。同步操作確保一次只有一個(gè)進(jìn)程可以訪問(wèn)共享數(shù)據(jù)。條件變量用于進(jìn)程間的同步和通信。優(yōu)點(diǎn)簡(jiǎn)化并發(fā)編程，提高代碼可讀性和可維護(hù)性。管程的定義與操作管程機(jī)制管程是一種高級(jí)同步機(jī)制，用于管理共享資源的訪問(wèn)。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)管程包含共享數(shù)據(jù)和操作這些數(shù)據(jù)的過(guò)程?；コ庠L問(wèn)一次只能有一個(gè)進(jìn)程進(jìn)入管程，確保對(duì)共享數(shù)據(jù)的互斥訪問(wèn)。等待隊(duì)列當(dāng)一個(gè)進(jìn)程需要訪問(wèn)共享數(shù)據(jù)時(shí)，它可能需要等待，直到數(shù)據(jù)可用。哲學(xué)家就餐問(wèn)題哲學(xué)家就餐問(wèn)題是經(jīng)典的同步問(wèn)題。五個(gè)哲學(xué)家圍坐在圓桌旁，桌上放著五根筷子，每根筷子位于兩個(gè)哲學(xué)家之間。每個(gè)哲學(xué)家需要兩根筷子才能吃飯，但他們只有一個(gè)選擇，只能拿起自己面前的筷子。如果所有哲學(xué)家同時(shí)拿起自己左側(cè)的筷子，那么沒(méi)有人可以拿到右側(cè)的筷子，就會(huì)造成死鎖。讀者-寫(xiě)者問(wèn)題多個(gè)讀者可以同時(shí)訪問(wèn)共享數(shù)據(jù)，但寫(xiě)者必須獨(dú)占訪問(wèn)。讀寫(xiě)操作交替進(jìn)行，要保證數(shù)據(jù)一致性。讀者優(yōu)先策略讓讀者可以立即開(kāi)始讀取，寫(xiě)者需要等待所有讀者完成。寫(xiě)者優(yōu)先策略讓寫(xiě)者優(yōu)先獲取資源，讀者需要等待寫(xiě)者完成。讀者優(yōu)先還是寫(xiě)者優(yōu)先讀者優(yōu)先多個(gè)讀者可以同時(shí)訪問(wèn)共享數(shù)據(jù)。寫(xiě)者必須等待所有讀者完成讀操作后才能寫(xiě)入數(shù)據(jù)。這確保了讀者始終能夠訪問(wèn)最新的數(shù)據(jù)，但可能導(dǎo)致寫(xiě)者延遲。寫(xiě)者優(yōu)先只有一個(gè)寫(xiě)者可以訪問(wèn)共享數(shù)據(jù)，其他寫(xiě)者和讀者必須等待。這確保了寫(xiě)入數(shù)據(jù)不會(huì)被其他操作中斷，但可能導(dǎo)致讀者延遲。忙等待與睡眠喚醒忙等待進(jìn)程不斷地循環(huán)檢查共享資源是否可用。進(jìn)程消耗CPU資源，降低系統(tǒng)效率。睡眠喚醒進(jìn)程進(jìn)入睡眠狀態(tài)，等待被喚醒。節(jié)省CPU資源，提高系統(tǒng)效率。自旋鎖與睡眠鎖自旋鎖不斷循環(huán)檢查鎖的狀態(tài)，直到獲得鎖。適用于鎖占用時(shí)間短的場(chǎng)景。效率高，但消耗CPU資源。睡眠鎖線程阻塞，進(jìn)入睡眠狀態(tài)，等待鎖可用。適用于鎖占用時(shí)間長(zhǎng)的場(chǎng)景。節(jié)約CPU資源，但效率相對(duì)較低。死鎖概述資源競(jìng)爭(zhēng)多個(gè)進(jìn)程同時(shí)請(qǐng)求同一資源時(shí)，可能發(fā)生死鎖。循環(huán)等待進(jìn)程間相互等待對(duì)方釋放資源，形成循環(huán)等待，導(dǎo)致死鎖。系統(tǒng)資源不足系統(tǒng)資源有限，進(jìn)程無(wú)法獲得所需資源，導(dǎo)致死鎖。不合理的資源分配順序進(jìn)程獲得資源的順序不合理，導(dǎo)致死鎖。死鎖的四個(gè)必要條件死鎖是多個(gè)進(jìn)程或線程相互等待對(duì)方所持有的資源而導(dǎo)致的一種狀態(tài)，從而導(dǎo)致所有進(jìn)程都無(wú)法繼續(xù)執(zhí)行。死鎖的發(fā)生需要滿足四個(gè)必要條件：互斥條件（MutualExclusion）：資源在同一時(shí)間只能被一個(gè)進(jìn)程使用。占有并等待條件（HoldandWait）：進(jìn)程已經(jīng)獲得了某些資源，但又請(qǐng)求新的資源而被阻塞，同時(shí)繼續(xù)持有已獲得的資源。不可剝奪條件（NoPreemption）：進(jìn)程已經(jīng)獲得的資源在未完成使用之前不能被其他進(jìn)程強(qiáng)行奪取。循環(huán)等待條件（CircularWait）：存在一個(gè)閉環(huán)的進(jìn)程等待序列，每個(gè)進(jìn)程都等待下一個(gè)進(jìn)程所持有的資源。當(dāng)這四個(gè)條件同時(shí)滿足時(shí)，就會(huì)發(fā)生死鎖。為了避免死鎖，可以打破這四個(gè)條件中的一個(gè)或多個(gè)。死鎖的預(yù)防與避免死鎖預(yù)防通過(guò)破壞死鎖發(fā)生的必要條件，可以防止死鎖的發(fā)生。死鎖避免在資源分配過(guò)程中，動(dòng)態(tài)地檢查系統(tǒng)狀態(tài)，確保不會(huì)進(jìn)入死鎖狀態(tài)。資源分配策略采取合理的資源分配策略，例如，先請(qǐng)求所有資源，再開(kāi)始執(zhí)行。銀行家算法銀行家算法是一種用于資源分配的算法，它可以防止死鎖發(fā)生。它基于一個(gè)假設(shè)：系統(tǒng)中的資源總量是有限的，并且每個(gè)進(jìn)程都需要一定數(shù)量的資源來(lái)完成其工作。1安全狀態(tài)系統(tǒng)處于安全狀態(tài)，意味著可以按順序分配資源給每個(gè)進(jìn)程，直到每個(gè)進(jìn)程完成其工作。2安全序列安全狀態(tài)可以由一個(gè)安全序列表示，該序列包含所有進(jìn)程的順序。3資源分配圖資源分配圖用來(lái)描述系統(tǒng)中資源和進(jìn)程之間的關(guān)系。4銀行家算法根據(jù)安全狀態(tài)的定義，銀行家算法可以在分配資源之前判斷系統(tǒng)是否處于安全狀態(tài)。通過(guò)使用銀行家算法，可以確保系統(tǒng)不會(huì)因?yàn)橘Y源分配不當(dāng)而導(dǎo)致死鎖。資源分配圖資源分配圖是一種直觀的圖形表示，用于展示操作系統(tǒng)中各個(gè)進(jìn)程對(duì)資源的申請(qǐng)和持有狀態(tài)。圖中包含進(jìn)程節(jié)點(diǎn)和資源節(jié)點(diǎn)，箭頭表示進(jìn)程對(duì)資源的請(qǐng)求和持有關(guān)系。通過(guò)分析資源分配圖，可以識(shí)別系統(tǒng)中潛在的死鎖風(fēng)險(xiǎn)，并采取相應(yīng)的預(yù)防措施。安全序列與死鎖預(yù)防1安全序列安全序列是指一個(gè)進(jìn)程序列，其中每個(gè)進(jìn)程都能按照其需求順序獲得所需的資源，最終完成執(zhí)行。安全序列的存在意味著系統(tǒng)處于安全狀態(tài)，不會(huì)發(fā)生死鎖。2死鎖預(yù)防死鎖預(yù)防是指通過(guò)限制資源的分配方式來(lái)避免死鎖的發(fā)生，確保系統(tǒng)始終處于安全狀態(tài)。3資源分配策略可以采用一些資源分配策略，例如銀行家算法，來(lái)確保系統(tǒng)資源分配的安全，從而預(yù)防死鎖的發(fā)生。死鎖的檢測(cè)與解決死鎖檢測(cè)是一種事后補(bǔ)救措施，用于發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中已經(jīng)發(fā)生的死鎖。通過(guò)檢測(cè)算法，系統(tǒng)可以識(shí)別出處于死鎖狀態(tài)的進(jìn)程，并采取措施來(lái)解除死鎖。1資源分配圖用于可視化資源和進(jìn)程之間的分配關(guān)系，以便識(shí)別死鎖。2死鎖檢測(cè)算法通過(guò)分析資源分配圖，識(shí)別出循環(huán)等待關(guān)系，以確定死鎖。3死鎖解除包括搶占、回滾、終止進(jìn)程等方法，以解除死鎖并恢復(fù)系統(tǒng)運(yùn)行。總結(jié)與展望同步與互斥的精髓深入理解同步與互斥機(jī)制是構(gòu)建可靠、高效并發(fā)程序的關(guān)鍵。掌握了這些概念，您將能更有效地處理共享資源的訪問(wèn)和協(xié)調(diào)問(wèn)題，提升軟件質(zhì)量。未來(lái)的發(fā)展方向隨著多核處理器和云計(jì)算的普及，并發(fā)編程的應(yīng)用將日益廣泛。面向未來(lái)的研究方向包括分布式同步、并行算法優(yōu)化、以及更智能的資源管理機(jī)制。課后思考互斥與同步你是否可以舉出更多互斥與同步的實(shí)際例子？